污秽绝缘子表面电场仿真分析

余 凯

（国网湖南省电力有限公司邵阳供电分公司检修公司，湖南 邵阳 422000）

0 引 言

绝缘子是变电站户外场地设备的重要组成部分。作为电力系统中常见的高压绝缘设备，它普遍存在于各类变电站中。由于长期运行在户外，常年受到大气中颗粒状物质以及工业排放物的影响，绝缘子表面随着时间的推移，逐渐累积了一层污秽状物质。空气湿度较低时，污秽物不具备导电性，对电网的可靠运行影响较小。但是，当雨水增多或空气湿度较高时[1]，污秽物中的可融物质电离，在运行电压的作用下，绝缘子表面将形成泄露电流，严重时会导致污闪事件的发生[2]。

目前，线路绝缘子和支柱绝缘子的电场仿真研究都已比较深入，如文献[3]研究分析了线路绝缘子表面有雨滴分布时的电场分布情况，仿真分析得出了雨滴位置、大小和电导率等因素对绝缘子表面电场的影响。此外，文献[4]用准静态谐分析法计算了湿润污秽对绝缘表面电场和沿面电位的影响。结果表明，以湿润污秽为中心的小区域电场发生畸变，瓷绝缘表面的污秽水膜影响绝缘子的电压和电场分布。

本文根据瓷支柱绝缘子实体模型建立了有限元模型，通过在绝缘子实体模型上覆盖一层电阻率均匀的水膜，模拟下雨天雨量均匀时支柱绝缘子表面污秽均匀分布时的电势和场强分布，然后分别研究了干燥带位置对污秽绝缘子表面电场的影响。研究结果可为污秽绝缘子污闪防治和绝缘子优化设计提供参考依据。

1 支柱绝缘子材料参数及有限元模型

本文选用型号为ZS-40.5/8的瓷支柱绝缘子，其型号参数如表1所示。

表1 支柱绝缘子型号及材料参数

为简化绝缘子有限元模型，忽略上安装孔和下安装孔的影响。简化后的绝缘子实体模型，如图1所示。

图1 支柱绝缘子有限元模型

为真实模拟雨水增多或空气湿度较高时，绝缘子表面污秽物溶解电离，在绝缘子表面覆盖一层均匀的导电物质，且可在绝缘子实体模型上再覆盖一层厚度均匀的单元格。考虑到绝缘子模型的对称性，可通过二维模型来简化模型，以加快仿真的计算速度、减少单元格的剖分和存储。简化后的二维有限元仿真模型，如图2所示。

图2 覆盖均匀污秽水膜的有限元模型

2 污秽均匀分布时绝缘子表面电场的仿真

污秽水膜的厚度一般可以根据规定的电导率与盐量浓度的关系确定，而污秽水膜的厚度根据绝缘子表面吸附100 mL的水量来确定，水膜均匀覆盖在绝缘子表面。仿真时，材料参数如表2所示。

表2 材料参数

本文取污秽水膜等值盐密0.1 mg/cm2（电阻率5.71Ω·m-1）[2]、水膜厚度1 mm建立仿真模型。在支柱绝缘子的上端加40.5 kV的电势，下表面接地，可以得到支柱绝缘子电势分布和伞裙表面电势分布如图3、图4所示。

图3 支柱绝缘子电势分布

图4 伞裙表面电势分布

从图3、图4可以看出，在绝缘子电势仿真中，电势沿着伞裙均匀减少。每个伞裙的电势减少的量相同，即伞裙的沿面压降是一样的。每个伞裙的压降约为4 000 V。同理，可以得到伞裙表面平均场强的分布情况，如图5所示。

由图5的伞裙表面平均场强分布可知，场强和伞裙的伞径、伞裙结构密切相关。在表面弧度较大的位置，场强也较大。

3 干燥带位置对污秽绝缘子表面电场的影响

当雨后天晴或者湿润的天气逐渐变得干燥时，绝缘子上的水膜开始褪去，会在绝缘子表面形成干燥带，而干燥带的存在必然会造成绝缘子表面场强分布的不均匀，极易造成绝缘击穿形成污闪。

以上端高压处铸铁下沿为原点，在同一伞裙上取不同距离的点形成干燥带，模拟干燥带位置对污秽绝缘子表面电场的影响。假定干燥带的宽度为3 mm，仿真得到一条干燥带的场强分布图，如图6所示。

图5 伞裙表面平均场强的分布

图6 干燥带场强分布图

从图6的仿真图中可以知道，干燥带处的场强明显强于周边场强，较易形成绝缘击穿放电。同理，若在伞裙表面不同位置取干燥带，可以得到干燥带不同位置对污秽绝缘子表面电场的影响，如图7所示。

图7 干燥带不同位置的污秽绝缘子表面电场分布趋势

从图7可以看出，干燥带位置距离上端高压处越远，干燥带形成的最大场强越小，且最大场强随距离在近高压侧衰减较快，在远高压侧衰减较慢。

4 结 论

通过建立支柱绝缘子实体有限元模型，仿真污秽均匀分布时表面电场的分布情况和干燥带位置对污秽绝缘子表面电场的影响，可以得出如下结论：

（1）污秽均匀分布时，绝缘子表面电势沿着伞裙均匀减少，且伞裙的沿面压降大概相同；

（2）污秽均匀分布时，表面场强的大小和伞裙的结构有着密不可分的关系，其在表面弧度较大的位置，场强也最大，可为绝缘子的结构设计提供可靠的参考依据；

（3）干燥带不同位置对污秽绝缘子表面电场有着显著影响，距离上端高压处越远，干燥带形成的最大场强越小；干燥带越靠近高压侧，越易形成放电击穿现象。

[1] 张国武，邵瑰玮.相对湿度及盐密对绝缘子泄漏电流的影响[J].云南电力技术，2015，43（6）：51-53.

[2] 叶丽莎，周文俊，杨 帅，等.绝缘子串上污秽物对电压分布的影响[J].高压电器，2015，51（9）： 103-108.

[3] 汪 祥，胡志坚.基于ANSYS的雨滴分布对绝缘子表面电场的影响研究[J].高压电器，2016，52（2）：135-141.

[4] 姚 刚，文习山，蓝 磊.湿润污秽绝缘表面电场及针板电极下的沿面放电[J].高电压技术，2010，36（6）：1407-1414.